基于區(qū)塊鏈的無線通信數(shù)據(jù)安全傳輸方法

湯 靜，艾 莉，畢佳明，劉 瑩，蘇金鳳

（沈陽工學(xué)院 遼寧 撫順 113122）

0 引言

無線通信數(shù)據(jù)傳輸主要包括公網(wǎng)、專網(wǎng)兩種數(shù)據(jù)傳輸類別［1－3］，其中，公網(wǎng)數(shù)據(jù)傳輸主要包括5G、4G、通用分組無線業(yè)務(wù)（general packet radio service，GPRS），專網(wǎng)數(shù)據(jù)傳輸則指的是WiFi、ZigBee 等。 無線通信數(shù)據(jù)傳輸主要利用相關(guān)的傳輸模塊采集無線模擬量，遠(yuǎn)程進(jìn)行開關(guān)量控制［4－6］，因此無線通信數(shù)據(jù)傳輸?shù)乃俣容^快，傳輸成本較低，覆蓋面積較廣，在各種復(fù)雜的地理場合應(yīng)用廣泛。 相關(guān)研究人員針對無線通信數(shù)據(jù)傳輸特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了若干種常規(guī)的無線通信數(shù)據(jù)安全傳輸方法。 第一種是基于云計(jì)算的無線通信數(shù)據(jù)安全傳輸方法［7］，主要通過共享密鑰制定了通信數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議，生成共享時(shí)鐘，從而實(shí)現(xiàn)無線通信數(shù)據(jù)安全傳輸；第二種是考慮不可信通信環(huán)境的無線通信數(shù)據(jù)安全傳輸方法［8］，主要利用群簽名技術(shù)增加了數(shù)據(jù)的匿名性，保證了數(shù)據(jù)傳輸安全。 但上述兩種無線通信數(shù)據(jù)安全傳輸方法主要使用同態(tài)特性Paillier 密碼進(jìn)行混合傳輸編碼，易受無線終端信息群組劃分影響［9］，導(dǎo)致數(shù)據(jù)加密隱寫度較低，不符合目前的無線通信數(shù)據(jù)安全傳輸要求，因此，本文基于區(qū)塊鏈設(shè)計(jì)了一種全新的無線通信數(shù)據(jù)安全傳輸方法。

1 無線通信數(shù)據(jù)區(qū)塊鏈安全傳輸方法設(shè)計(jì)

1.1 生成無線通信數(shù)據(jù)安全傳輸協(xié)議

在常規(guī)的無線通信數(shù)據(jù)安全傳輸場景下，存在潛在的通信鏈路，用來發(fā)送與接收用戶的IP 數(shù)據(jù)包，因此，可以根據(jù)網(wǎng)絡(luò)傳輸單元的連接關(guān)系生成有效的無線通信數(shù)據(jù)安全傳輸協(xié)議［10］。 首先需要進(jìn)行傳輸初始化，獲取數(shù)據(jù)安全傳輸參數(shù)，即給定初始的傳輸安全等級，由信任中心通過演進(jìn)型基站（evolved node B，ENB）線性參數(shù)器選擇合理的加密函數(shù)，開始進(jìn)行初始化。 此時(shí)，可以將真實(shí)數(shù)據(jù)設(shè)置為路由識別（route identification，RID）數(shù)據(jù)，計(jì)算不同的數(shù)據(jù)ID，選擇一整條完整的數(shù)據(jù)鏈作為安全傳輸加密信道。 待上述步驟完畢，可以開始進(jìn)行用戶體驗(yàn)（users experience，UE）注冊，隨機(jī)選擇加密私鑰與加密公鑰，記錄通信數(shù)據(jù)的傳輸頻率。 原本的無線通信數(shù)據(jù)會分割成多個(gè)片段，使用發(fā)送頻率來描述數(shù)據(jù)的存儲狀態(tài)，此時(shí)形成的數(shù)據(jù)安全傳輸簽名σ1，如式（1）所示。

式（1）中，H1代表數(shù)據(jù)分割片段，Pi代表加密編號，M代表數(shù)據(jù)發(fā)送頻率，x0代表原始數(shù)據(jù)被發(fā)送的次數(shù)，使用上述傳輸簽名可以有效對抗高等級攻擊，提高了數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃浴?/p>

本文設(shè)計(jì)的無線通信數(shù)據(jù)安全傳輸協(xié)議屬于雙循環(huán)多方向協(xié)議，主要包括8 個(gè)構(gòu)建步驟：第一步，進(jìn)行服務(wù)請求，即獲取數(shù)據(jù)的有效片段，計(jì)算密鑰分子，生成加密數(shù)據(jù)，此時(shí)的數(shù)據(jù)加密運(yùn)算方法HMAC（m） ，如式（2）所示。

式（2）中，h代表編碼長度，k代表填充密鑰，opad、ipad分別代表加密常數(shù)，m代表加密函數(shù)。 進(jìn)行加密運(yùn)算后，需要由UE 發(fā)送有效請求，對每一個(gè)加密數(shù)據(jù)段進(jìn)行編號，從而發(fā)送至下一加密階段。 第二步，接收到消息請求信息后進(jìn)行加密參數(shù)驗(yàn)證，獲取數(shù)據(jù)的認(rèn)證身份并進(jìn)行查閱，保證數(shù)據(jù)的實(shí)際傳輸通道相擬合。 第三步，對候選用戶進(jìn)行檢測，根據(jù)數(shù)據(jù)安全傳輸要求進(jìn)行加密匹配。 第四步，選擇通信數(shù)據(jù)安全傳輸加密信道，進(jìn)行加密反饋處理。 第五步，根據(jù)接收到的數(shù)據(jù)安全傳輸請求完成加密。 第六步，接收到數(shù)據(jù)包后，從中提取有效數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，檢查數(shù)據(jù)的加密關(guān)系。 第七步，計(jì)算通信密鑰，獲取原始數(shù)據(jù)，驗(yàn)證數(shù)據(jù)加密接收效果，避免數(shù)據(jù)被篡改。 第八步，更新記錄表，根據(jù)發(fā)送的密鑰分子進(jìn)行加密有效性反饋，排除惡性竊取行為，從而提高無線通信數(shù)據(jù)傳輸?shù)陌踩浴?/p>

1.2 基于區(qū)塊鏈設(shè)計(jì)無線通信數(shù)據(jù)安全傳輸共識算法

為了提升無線通信數(shù)據(jù)安全傳輸?shù)目煽啃裕疚幕趨^(qū)塊鏈設(shè)計(jì)了無線通信數(shù)據(jù)安全傳輸共識算法。 可以根據(jù)區(qū)塊鏈程序存儲原則及特定條款生成數(shù)據(jù)安全傳輸智能合約，根據(jù)生成的智能合約可以調(diào)整使用的區(qū)塊鏈類型，得到有效的無線通信數(shù)據(jù)安全傳輸算法。

根據(jù)無線通信網(wǎng)絡(luò)中的數(shù)據(jù)安全傳輸節(jié)點(diǎn)集合，可以預(yù)設(shè)算法的執(zhí)行條件，即任意兩個(gè)Quorum 交集需為非空集合，需要具有合理的執(zhí)行性能，此時(shí)數(shù)據(jù)安全傳輸滿足的執(zhí)行條件p如式（3）所示。

式（3）中，v代表數(shù)據(jù)傳輸編號，n代表執(zhí)行節(jié)點(diǎn)，根據(jù)上述的無線通信數(shù)據(jù)安全傳輸執(zhí)行條件可以調(diào)整算法占用的帶寬，此時(shí)各個(gè)節(jié)點(diǎn)發(fā)送的消息總數(shù)量T如式（4）所示。

經(jīng)過上述算法加密后，數(shù)據(jù)傳遞的總數(shù)會迅速增長，因此，本文對上述設(shè)計(jì)的算法進(jìn)行了改進(jìn)，得到了基于區(qū)塊鏈的數(shù)據(jù)安全傳輸共識算法，即將加密數(shù)據(jù)劃分為不同的執(zhí)行小組，不同小組的執(zhí)行數(shù)量是相等的。 借助上述生成的協(xié)議調(diào)整消息傳輸?shù)姆较颍玫綌?shù)據(jù)安全傳輸節(jié)點(diǎn)p（i，0），如式（5）所示。

式（5）中，vi代表被選中的數(shù)據(jù)加密節(jié)點(diǎn)編號，ri代表參與共識的加密密鑰數(shù)量，使用上述設(shè)計(jì)的算法可以有效處理數(shù)據(jù)安全傳輸過程中存在的加密執(zhí)行問題，降低傳輸異常事件發(fā)生頻率，保證最終的數(shù)據(jù)安全傳輸效果。

2 實(shí)驗(yàn)

為了驗(yàn)證本文設(shè)計(jì)的基于區(qū)塊鏈的無線通信數(shù)據(jù)安全傳輸方法的傳輸效果，將其與基于云計(jì)算的無線通信數(shù)據(jù)安全傳輸方法、考慮不可信通信環(huán)境的無線通信數(shù)據(jù)安全傳輸方法兩種方法作對比，進(jìn)行了如下實(shí)驗(yàn)。

2.1 實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備

根據(jù)無線通信數(shù)據(jù)安全傳輸要求，本文選取了數(shù)學(xué)程序設(shè)計(jì)語言AMPL（A Mathematical Programming Language）作為實(shí)驗(yàn)工具。 在實(shí)驗(yàn)開始前，通過AMPL 實(shí)驗(yàn)工具進(jìn)行數(shù)字編譯，將原始的修改文件轉(zhuǎn)換為換行符文件，進(jìn)行數(shù)據(jù)文件求解。 在具體實(shí)驗(yàn)中，需要不斷地進(jìn)行通信決策，因此本文使用CPLEX 輔助生成規(guī)劃程序，為解決實(shí)驗(yàn)問題提供關(guān)鍵算法。 由于網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞慕徊鎻?fù)雜，屬于層次結(jié)構(gòu)模型，各個(gè)橫縱坐標(biāo)分別代表不同節(jié)點(diǎn)的分布區(qū)域，存在多向鏈路，此時(shí)可以選取數(shù)據(jù)加密隱寫度作為實(shí)驗(yàn)參數(shù)，計(jì)算式如式（6）所示。

式（6）中，a代表加密均值測度，a0代表鏈路標(biāo)準(zhǔn)安全測度，e代表歐氏距離。 數(shù)據(jù)加密隱寫度越高，證明加密方法的加密效果越好，反之?dāng)?shù)據(jù)加密隱寫度越低，證明加密方法的加密效果相對較差。 針對實(shí)驗(yàn)要求，本實(shí)驗(yàn)設(shè)置了實(shí)驗(yàn)參數(shù)，如表1 所示。

表1 實(shí)驗(yàn)參數(shù)

結(jié)合表1 的實(shí)驗(yàn)參數(shù)可以處理實(shí)驗(yàn)源節(jié)點(diǎn)，生成符合無線通信網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行要求的通信幅值。

在實(shí)驗(yàn)開始前，需要確保不同無線通信節(jié)點(diǎn)之間的信任度，通過霧節(jié)點(diǎn)完成數(shù)據(jù)的存儲與通信，實(shí)現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)客戶端調(diào)節(jié)，管理相關(guān)的通信交互智能合約。 實(shí)驗(yàn)客戶端選取Dapp 應(yīng)用程序與區(qū)塊鏈進(jìn)行通信交互，提高通信合約的信度。 不同的霧節(jié)點(diǎn)需要分配不同的以太坊元數(shù)據(jù)，提升實(shí)驗(yàn)效率，因此，為了提高不同實(shí)驗(yàn)節(jié)點(diǎn)的可信度，需要生成實(shí)驗(yàn)評估列表，保證以太坊地址的關(guān)聯(lián)性。 實(shí)驗(yàn)平臺使用Curl 進(jìn)行配置，需要按照基礎(chǔ)路徑配置通信環(huán)境變量；通用引擎使用Docker 部署，在Windows 中安裝虛擬機(jī)，待上述步驟完成后，即可進(jìn)行無線通信數(shù)據(jù)安全傳輸實(shí)驗(yàn)。

2.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

結(jié)合上述的概況及準(zhǔn)備，可以進(jìn)行無線通信數(shù)據(jù)安全傳輸實(shí)驗(yàn)，即分別使用本文設(shè)計(jì)的基于區(qū)塊鏈的無線通信數(shù)據(jù)安全傳輸方法、基于云計(jì)算的無線通信數(shù)據(jù)安全傳輸方法以及考慮不可信通信環(huán)境的無線通信數(shù)據(jù)安全傳輸方法進(jìn)行無線通信安全傳輸實(shí)驗(yàn)，使用式（6）計(jì)算3 種方法在不同數(shù)據(jù)并發(fā)傳輸請求數(shù)量下的數(shù)據(jù)加密隱寫度，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表2 所示。

表2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

由表2 可知，本文設(shè)計(jì)的方法在高低密度通信數(shù)據(jù)的加密隱寫度較高，而常規(guī)的2 種無線通信數(shù)據(jù)安全傳輸方法在高低密度通信數(shù)據(jù)的加密隱寫度較低。 上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明，本文設(shè)計(jì)的基于區(qū)塊鏈的無線通信數(shù)據(jù)安全傳輸方法傳輸效果較好，具有可靠性，有一定的應(yīng)用價(jià)值。

3 結(jié)語

綜上所述，為了提高通信網(wǎng)絡(luò)安全性，維護(hù)用戶數(shù)據(jù)隱私，需要設(shè)計(jì)一種有效的無線通信數(shù)據(jù)安全傳輸方法。常規(guī)的無線通信數(shù)據(jù)安全傳輸方法數(shù)據(jù)加密隱寫度較低，不符合數(shù)據(jù)傳輸安全要求。 因此，本文設(shè)計(jì)了一種全新的無線通信數(shù)據(jù)安全傳輸方法，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，基于區(qū)塊鏈的無線通信數(shù)據(jù)安全傳輸方法的傳輸效果較好，具有可靠性，并有一定的應(yīng)用價(jià)值，為降低通信數(shù)據(jù)安全傳輸風(fēng)險(xiǎn)作出了一定貢獻(xiàn)。